Лабы (механика) / Лабы / 1-3 / FIZ-1-3
.DOCНГТУ
Лабораторная работа №1-3
"Определение момента
инерции твердых тел"
Выолнил 98-В-2
Корепов А.В.
Принял:
г.Н.Новгород.
1998г.
Цель работы: Экспериментальное определение момента инерции диска, цилиндра, кольца и параллелепипеда относительно главных осей инерции этих твердых тел; исследование зависимости момента инерции от распределения массы тела относительно оси вращения; экспериментальная проверка теоремы Штейнера.
Экспериментальная часть
Рис. 1
Если платформа массы m, вращаясь в одном направлении, поднялась на высоту h, то ее потенциальная энергия в крайнем положении
П = mgh ,
где g - ускорение свободного падения тела.
Вращаясь в другом направлении, платформа придет в положение равновесия с кинетической энергией
,
Где I - момент инерции платформы;
- угловая скорость платформы в момент достижения ею положения равновесия.
Пренебрегая работой сил трения, на основании закона сохранения механической энергии имеем:
Считая, что платформа совершает гармонические колебания, можно написать зависимость угла поворота платформы от времени:
, где:
- мгновенное значение угла поворота платформы
- амплитудное значение угла поворота
Т - период полного колебания
t - время
Угловая скорость является первой производной от угла поворота по времени:
.
В момент прохождения через положение равновесия абсолютное значение угловой скорости будет максимальным:
Подставляя это значение в уравнение (2) получим:
.
Чтобы найти момент инерции I платформы из этого соотношения, выразим высоту подъема платформы h через известные величины.
При повороте платформы на угол центр тяжести ее переместится из точки О в точку О1 (рис. 2), причем
Так как
и ,
получим:
Рис. 2
В
r
Учитывая это, получаем , где R - расстояние от оси платформы до точек закрепления проволок на платформе; r - расстояние от оси платформы до точек закрепления проволок на треноге; l - длина проволок подвеса.
Подставляя значение h, получим:
О1
C
C1
А
R
A1
О
Iсист = I0+IT , где I0 - момент инерции платформы, IT - момент инерции тела.
Отсюда получаем: IT = Iсист - I0
Определение моментов инерции тел опытным путем
Имеем:
mплатф=0,4±0,005 кг
mпаралл=1,4±0,005 кг
mцилиндра=1,15±0,005 кг
mкольца=0,9±0,005 кг
mдиска=1,1±0,005 кг
R=0,145±0,001 м
r=0,035±0,001 м
l=1,85±0,005 м
Экспериментом измерено:
N=3 - кол-во измерений для каждого тела
n=30 - кол-во полных колебаний
-
Тело
Измеренное время, с
Параметры тела, м
пустая платформа
155,28
162,93
158,47
R=0,15
h=0,001
цилиндр
92,46
92,79
93,00
R1=0,0325
R2=0,0445
h=0,052
кольцо
120,57
120,22
120,83
R1=0,0615
R2=0,0745
h=0,019
диск
106,56
107,47
107,21
R=0,075
h=0,021
паралл. на торце
100,97
101,53
100,12
a=0,073
b=0,178
паралл. стоя
84,35
83,60
84,12
a=0,073
b=0,102
паралл. лежа
103,47
103,34
103,72
a=0,102
b=0,178
Усредняем результат:
и находим период колебаний:
Тело |
<t> ,c |
<T> ,c |
пустая платформа |
158,894 |
5,297 |
цилиндр |
92,75 |
3,092 |
кольцо |
120,54 |
4,018 |
диск |
107,08 |
3,57 |
паралл. на торце |
100,874 |
3,363 |
паралл. стоя |
84,024 |
2,801 |
паралл. лежа |
103,51 |
3,451 |
Рассчитываем момент инерции пустой и нагруженной платформы и моменты инерции конкретных тел:
Тело |
Iсист , кг м2 |
Iт , кг м2 |
пустая платформа |
|
0,007657 |
цииндр |
0,01011 |
0,002453 |
кольцо |
0,014321 |
0,006664 |
диск |
0,01304 |
0,005383 |
паралл. на торце |
0,013887 |
0,00623 |
паралл. стоя |
0,009635 |
0,001978 |
паралл. лежа |
0,014622 |
0,006965 |
Рассчитываем абсолютную и относительную погрешности измерения:
tp,N=4,3 tp,¥=1,96 d=0,005
Тело |
St |
Dt, c |
et |
eT |
пуст. платформа |
2,223 |
9,559 |
0,061 |
0,0617 |
цилиндр |
0,158 |
0,68 |
0.0074 |
0,0117 |
кольцо |
0,177 |
0,762 |
0,0064 |
0,0111 |
диск |
0,271 |
1,166 |
0,0109 |
0,0142 |
паралл. на торце |
0,411 |
1,768 |
0,0176 |
0,0198 |
паралл. стоя |
0,223 |
0,959 |
0,0115 |
0,0146 |
паралл. лежа |
0,112 |
0,482 |
0,0047 |
0,0102 |
Тело |
eIсист |
DIсист , кг м2 |
DIT , кг м2 |
eIT |
eIT,% |
||||
пуст. платф. |
|
|
0,00098 |
0,128 |
12,8 |
||||
цилиндр |
0,0378 |
0,000382 |
0,000098 |
0,038 |
3,8 |
||||
кольцо |
0,0372 |
0,000533 |
0,000249 |
0,0374 |
3,74 |
||||
диск |
0,0411 |
0,000536 |
0,000212 |
0,0412 |
4,12 |
||||
пар. на торце |
0,0495 |
0,000687 |
0,000308 |
0,0495 |
4,95 |
||||
пар. стоя |
0,0416 |
0,000401 |
0,000082 |
0,0417 |
4,17 |
||||
пар. лежа |
0,036 |
0,000526 |
0,00025 |
0,036 |
3,6 |
получим:
-
Тело
I±DI , кг м2
пустая платформа
(7,657±0,98)10-3
цилиндр
(2,453±0,098)10-3
кольцо
(6,664±0,249)10-3
диск
(5,383±0,212)10-3
паралл. на торце
(6,23±0,308)10-3
паралл. стоя
(1,978±0,082)10-3
паралл. лежа
(6,965±0,25)10-3
Определение моментов инерции тел теоритическим путем
Параллелепипед:
на торце: Iтеор=0,00432 кг м2
eIтеор=0,00632 eIтеор=0,632 %
DIтеор=0,0000273 кг м2
стоя: Iтеор=0,00184 кг м2
eIтеор=0,00877 eIтеор=0,877 %
DIтеор=0,0000162 кг м2
лежа: Iтеор=0,00491 кг м2
eIтеор=0,00604 eIтеор=0,604 %
DIтеор=0,0000297 кг м2
Цилиндр:
Iтеор=0,00175 кг м2
eIтеор=0,01866 eIтеор=1,866 %
DIтеор=0,0000327 кг м2
кольцо: Iтеор=0,0042 кг м2
eIтеор=0,001175 eIтеор=0,1175 %
DIтеор=0,000058 кг м2
Диск: R1®0
Iтеор=0,0031 кг м2
eIтеор=0,0141 eIтеор=1,41 %
DIтеор=0,00004371 кг м2
Пустая платформа: R1®0
Iтеор=0,0045 кг м2
eIтеор=0,0142 eIтеор=1,42 %
DIтеор=0,0000639 кг м2
Конкретное тело |
IT |
IT |
I,% |
ITтеор |
ITтеор |
I теор, % |
|
пустая. пл. |
0,007657 |
0,00098 |
12,8 |
0,0045 |
0,0000639 |
1,42 |
41,23 |
цилиндр |
0,002453 |
0,000098 |
3,8 |
0,00175 |
0,0000327 |
1,866 |
28,66 |
кольцо |
0,006664 |
0,000249 |
3,74 |
0,0042 |
0,000058 |
0,1175 |
36,98 |
диск |
0,005383 |
0,000212 |
4,12 |
0,0031 |
0,00004371 |
1,41 |
42,41 |
паралл. т. |
0,00623 |
0,000308 |
4,95 |
0,00432 |
0,0000273 |
0,632 |
30,66 |
паралл. с. |
0,001978 |
0,000082 |
4,17 |
0,00184 |
0,0000162 |
0,877 |
6,98 |
паралл. л. |
0,006965 |
0,00025 |
3,6 |
0,00491 |
0,0000297 |
0,604 |
29,51 |